（材料科学与工程专业论文）真空钎焊bt20钛合金用钛基钎料研究.pdf

渺。j 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲搬翩虢趸查t 盘啡 摘璎 摘要 钛合金因其优良的综合性能而应用更趋广泛。b t 2 0 钛合金是一种近a 钛合 金，与其他可焊钛合金相比，它在5 0 0 下具有较好的高温强度，在5 0 0 5 5 0 下长期加热后，仍具有良好的热稳定性能。钎焊是钛合金连接技术中较为重要的 一种连接方法，尤其在特殊材料或特殊结构的连接中，具有不可替代的地位。钛 合金钎焊用钎料主要分银基、铜基和钛基钎料三大类。其中，钛基钎料焊接接头 的强度高，耐蚀性优良，耐热性好，应用最为广泛。本文首先设计制备了t i z r - n i c u 四元钎料合金并测定了钎料的相关性能。然后，研究了钎焊接头的常温和高 温剪切强度，测试了焊缝的显微硬度，并关注了钎焊工艺对母材的影响。最后， 研究分析了钎焊接头的界面组织、焊缝相组成以及接头的断口形貌。 试验证明，本文中设计制备的t i 2 0 z r - 1 5 n i 1 5 c u ( 下称4 号) 、t i 3 0 z r - 1 5 n i 1 5 c u ( 下称5 号) 和t i 一2 2 孙1 5 n i 1 5 c u ( 下称1 2 号) 三种钎料的熔化温度都低 于市购t i 1 2 3 9 z r - 9 2 6 n i 2 2 3 4 c u ( 下称0 号) 钎料，且流动性及铺展后的表面 形貌也都好于0 号钎料。 随着钎焊温度的升高，保温时间的延长，钎焊接头的常温剪切强度逐渐升高。 9 7 0 1 2 0 m i n 是试验中得到的最佳钎焊工艺，在该工艺条件下，1 2 号钎料钎焊 接头的常温剪切强度和高温剪切强度分别是4 9 3 + 6 2 m p a 和4 2 4 + 1 0 4 m p a ，分别高 于0 号钎料钎焊接头的4 5 9 - j ：1 8 m p a 和3 4 3 + 1 5 m p a 。钎焊工艺对母材的拉伸强度 和显微组织影响不大。 在保温温度较低，保温时间较短情况下，钎焊焊缝包括三个特征层，由焊缝 中心向外依次是：残余钎料层，富金属间化合物层和魏氏体层。随着钎焊保温温 度的升高，保温时间的延长，焊缝中的富金属间化合物层和残余钎料层逐渐消失。 9 7 0 0 c x l 2 0 m i n 工艺下的钎缝完全由魏氏体组成。为了得到性能良好的接头，应 该避免焊缝中残余钎料层和富金属间化合物层的出现，同时也应该避免魏氏体结 构的粗大化。钎焊接头在大气环境下，经高温处理( 5 5 0 下保温2 0 m i n ) 后， 整个焊缝的形态、焊缝中显微组织的形貌及数量都没有发生明显的变化。但是焊 缝表面发生严重氧化，焊缝中氧元素的质量百分数接近3 0 。 随着钎焊温度的增高，保温时间的延长，接头断裂形式由脆性断裂变为延性 断裂。9 7 0 0 c x l 2 0 m i n 钎焊工艺下，四种钎料各自钎焊接头在常温和高温下( 5 5 0 下保温2 0 m i n ) 均为延性断裂。 关键词真空钎焊；b t 2 0 钛合金；t i z r - n i c u 钎料；剪切强度；界面组织 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 a b s t r a c t 曼皇曼曼篁曼曼i 一一i 一i i_ii i i 鼍曼皇曼! 曼 a b s t r a c t t i t a n i u ma l l o yi sw i d e l yu s e dn o wb e c a u s eo fi t s p e r f e c tc o m p r e h e n s i v e p r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t ho t h e rt i t a n i u ma l l o y s ，b t 2 0t i t a n i u ma l l o yh a sb e t t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t5 0 0 0 c a f t e rb e i n gh e a t e da t5 0 0 0 c 5 5 0 0 cf o ral o n gt i m e ， b t 2 0t i t a n i u ma l l o ya l s oh a sg o o dt h e r m a ls t a b i l i t yp e r f o r m a n c e b r a z i n gp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ej o i n i n go fp r o c e s so ft i t a n i u ma l l o y a n dt h em o s tw i d e l yu s e d b r a z i n ga l l o yi nt h eb r a z i n go ft i t a n i u ma l l o yi st h et i t a n i u mb a s eb r a z i n ga l l o y , w i t h w h i c ht h eb r a z e dj o i n t sh a v eh i i g hs t r e n g t h ，f i n ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dg o o dt h e r m a l s t a b i l i t y t h ef i r s tp u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pt i - z r - n i c ub r a z i n ga l l o y s e c o n d l y , t h er o o mt e m p e r a t u r es h e a rs t r e n g t ha n dh i g ht e m p e r a t u r es h e a rs t r e n g t ho f t h ej o i n t si ss t u d i e d a l s o ，t h em i c r o - h a r d n e s so ft h ew e l di st e s t e d t h em i c r o s t r u c t u r e a n dt h ep h a s ec o m p o s i t i o no ft h ew e l ds e a ma r et h em o s ti m p o r t a n ti t e m si nt h es t u d y a tl a s t ，t h ef r a c t u r em o r p h o l o g yi ss t u d i e d t h el i q u i d u st e m p e r a t u r e so fb r a z i n ga l l o y4 撑( t i - 2 0 z r - 15 n i - 15 c u ) ，5 撑( t i - 3 0 z r - 1 5 n i 一1 5 c u ) a n d1 2 # ( t i 一2 2 z r - 1 5 n i - 1 5 c u ) ，w h i c ha l ed e v e l o p e di nt h i ss t u d y , a r e l o w e rt h a nt h a to ft h ec o m m e r c i a lb r a z i n ga l l o y 嘣( t i 一1 2 3 9 z r - 9 2 6 n i 一2 2 3 4 c u ) a t t h es a m et i m e , t h es p r e a d a b i l i t ya n dt h ew e t t i n gs u r f a c em o r p h o l o g yo ft h eb r a z i n g a l l o y4 稃，5 样a n d12 # a r eb e t t e rt h a nt h o s eo f t h eb r a z i n ga l l o yo 徉 a l o n gw i t ht h ee l e v a t i o no fb r a z i n gt e m p e r a t u r ea n dp r o l o n g a t i o no fb r a z i n gt i m e ， t h es h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n ti n c r e a s e sg r a d u a l l y t h es h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n ta t n o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r eb r a z e dw i t hb r a z i n ga l l o y12 # a t9 7 0 0 cf o r12 0m i ni s 4 9 3 + 6 2 m p aa n d4 2 4 + 10 4 m p a , r e s p e c t i v e l y a n ds h e a rs t r e n g t ho ft h ej o i n ta tt h e n o r m a la n dh i 曲t e m p e r a t u r eb r a z e dw i t hb r a z i n ga l l o y 衅b r a z e da tt h es a m eb r a z i n g p a r a m e t e r si s4 5 9 - a ：18 m p aa n d3 4 3 士15 m p a ，r e s p e c t i v e l y t h eb r a z i n gp a r a m e t e r sd o n o ta f f e c ts i g n i f i c a n t l yt ot h et e n s i l es t r e n g t ha n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h eb t 2 0t i t a n i u m a l l o y t h r e ef e a t u r el a y e r sa r ef o u n di nt h ej o i n tb r a z e da tar o o mt e m p e r a t u r ef o ras h o r t t i m e ：r e s i d u a l b r a z i n ga l l o yl a y e r , i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s - r i c hl a y e r a n d w i d m a n s t a t t e nl a y e r t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d r i c h e dl a y e ra n dt h er e s i d u a l b r a z i n ga l l o yl a y e rv a n i s hg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ee l e v a t i o no fb r a z i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ep r o l o n g a t i o no fs o a k i n gt i m e t h ej o i n tb r a z e da t9 7 0 0 cf o r12 0 m i ni s c o m p o s e dc o m p l e t e l yo ft h ew i d m a n s t a t t e n i no r d e rt oo b t a i nas t r o n gj o i n t ，t h e r e s i d u a lb r a z i n ga l l o yl e v e la n dt h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d - r i c hl e v e ls h o u l db e a v o i d e di nt h ej o i n t s i m u l t a n e o u s l yt h ew i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r es h o u l da l s ob e i i i - - 北京t 业大学t 学硕l j 学位论史 a v o i d e dt ob ec o a r s e s h a p e ，a p p e a r a n c ea n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l ds e a md on o t c h a n g eo b v i o u s l ya f t e ri ti st r e a t e da t5 5 0 。c f o r2 0 m i n b u tt h ew e l di ss e r i o u s l y o x i d i z e d ，w h e r eo x y g e nc o n t e n ti sc l o s et o3 0 w i t h l o n g e rb r a z i n gt i m ea n dh i g h e rb r a z i n gt e m p e r a t u r e ，t h ef r a c t u r em o d e o ft h e j o i n tc h a n g e sf r o mab r i t t l ef r a c t u r et oad u c t i l eo n e t h ej o i n t sb r a z e da t9 7 0 0 cf o r 12 0 m i nw i t hb r a z i n ga l l o y s0 | ，4 梓，5 j | a n d12 # s h o wd u c t i l ef e a t u r e sa tb o t hr o o ma n d h i 曲t e m p e r a t u r e k e yw o r d sv a c u u mb r a z i n g ；b t 2 0t i t a n i u ma l l o y ；t i - z r - n i c ub r a z i n ga l l o y ；s h e a r s t r e n g t h ；m i c r o s t r u c t u r e i v 目录 目录 摘罢暮i a b s l r a c t 。i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2b t 2 0 钛合金的特点及应用1 1 3b t 2 0 钛合金焊接技术2 1 3 1b t 2 0 钛合金焊接技术研究进展2 1 3 2 真空钎焊2 1 4 钛合金钎焊用钎料研究进展3 1 5 钎料合金元素5 1 5 1t i z r - n i c u 钎料中合金元素的作用。5 1 5 2 钎料合金成分的相图关系8 1 6 本课题主要研究内容10 第2 章钎料合金的设计、制备及性能_ 一1 1 2 1 钎料成分设计1 1 2 2 钎料的熔炼1 2 2 2 1 熔炼原料12 2 2 2 熔炼工艺一13 2 3 钎料的成形l3 2 4 钎料熔点测定15 2 5 钎料铺展试验17 2 6 钎料物相分析l8 2 7 本章小结21 第3 章钎焊接头制备及其力学性能2 3 3 1 钎焊接头设计及钎焊2 3 3 1 1 钎焊方法和设备2 3 3 1 2 钎焊前清理和表面准备2 3 n 北京t 业人学t 学硕i j 学化论丈 3 1 3 钎焊接头设计及装配2 4 3 1 4 钎焊工艺参数制定2 4 3 2 钎焊接头常温剪切强度测试2 8 3 3 钎焊接头高温剪切强度测试3 1 3 4 焊缝显微硬度分布3 2 3 5 钎焊工艺对母材拉伸强度的影响3 4 3 6 本章小结3 5 第4 章钎焊接头组织及断口研究3 7 4 1 接头界面组织及成分3 7 4 1 1 接头界面组织及相组成3 7 4 1 2 高温处理对焊缝组织及成分的影响4 4 4 2 接头断口形貌4 5 4 2 1 常温断口形貌4 5 4 2 2 高温断口形貌5 0 4 3 钎焊工艺对母材显微组织的影响5 2 4 4 获得高质量钎焊接头之要素5 4 4 5 本章小结5 5 结论5 7 参考文献5 9 附录6 3 攻读硕士学位期间所发表的论文6 5 至炙谢6 7 笫l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 t i 在地壳中的丰度为0 5 6 ( 质量分数) ，在所有元素中居第9 位，在可作 为结构材料的金属元素中居第4 位，仅次于a l 、f e 、m g ，其储量比常见金属c u 、p b 、 z n 储量之和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强 度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优 良的综合性能。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、 变形钛合金和钛合金加工材料的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天、 舰艇、兵器、汽车、化学和能源等领域中的应用日益广泛【1 1 。 钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面： ( 1 ) 比强度高钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为6 8 6 - - 11 7 6 m p a ，而密度 仅为钢的6 0 左右，所以比强度很高。 ( 2 ) 硬度较高钛合金( 退火态) 的硬度h r c 为3 2 3 8 。 ( 3 ) 弹性模量低钛合金( 退火态) 的弹性模量为1 0 7 8 1 0 5 - 1 1 7 6 1 0 5 m p a ， 约为不锈钢的一半。 ( 4 ) 高温和低温性能优良在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐 热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，一些耐热钛合金的工作温度可达 5 5 0 6 0 0 。在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性， 低温钛合金在2 5 3 时还能保持良好的韧性。 ( 5 ) 抗腐蚀性强钛在5 5 0 以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化 钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多 数不锈钢。 此外，钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性【2 】。 1 2b t 2 0 钛合金的特点及应用 b t 2 0 钛合金是以钛铝锆钼钒系为基的近o 【钛合金，该合金中的d 相稳定元 素( 钼、钒) 的含量比较少。 b t 2 0 钛合金化学元素含量( ，质量分数) 为：a l ，5 5 7 5 ；m o ，0 5 2 0 ； v ，0 8 1 8 ；z r ，1 5 - 2 5 。杂质含量的成分( ，质量分数) ：c 0 1 0 = f e o 3 0 ；s i o 1 5 ；o o 1 5 ；n o 0 5 ；h o 0 1 5 ；其他杂质的总量为：0 3 。 b t 2 0 钛合金主要用于制作板材，同时也用来制造各种锻件、模压件、棒材、 型材和其他半成品。b t 2 0 钛合金的工艺塑性比较低。例如，采用b t 2 0 钛合金 板材进行冲压时，应该加热到8 0 0 - 9 0 0 ，而不能进行冷态板的冲压。b t 2 0 钛 。 一 1 北京t 业人学t 学硕 j 学 节论文 合金在热锻、模锻和挤压时都有很好的塑性。 b t 2 0 钛合金的氩弧焊、接触焊及埋弧焊的焊接性能良好，接头的室温强度 和高温强度系数均可达到基体金属材料强度的o 9 o 9 5 。为了消除焊接残余应 力，焊后通常进行退火处理。该合金在大气条件下和某些其他腐蚀介质中的耐蚀 性也很高。 b t 2 0 钛合金与其他可焊钛合金板材相比，在5 0 0 。c 下具有较好的高温强度， 经过在5 0 0 - - 5 5 0 温度下长期加热后，具有良好的热稳定性能。用b t 2 0 钛合金 制造的压制件及焊接件，温度在5 0 0 条件下可长时间工作或温度在8 0 0 。c 条件 下短时间工作【3 l 。 1 3b t 2 0 钛合金焊接技术 1 3 1b t 2 0 钛合金焊接技术研究进展 北京航空制造工程研究所的巩水利等人通过对b t 2 0 钛合金c 0 2 激光焊技术 开展试验研究，对焊前清理、焊接过程中气体保护、离焦量、激光功率、焊接速 度等工艺参数进行了优化选择，确定了合理的焊接工艺参数【4 】。 北京工业大学的赵明书开展了b t 2 0 钛合金电子束焊接工艺研究，b t 2 0 钛合 金电子束焊接接头合金元素分布研究，b t 2 0 钛合金电子束焊接接头组织观察， 并且进行了b t 2 0 钛合金电子束焊接接头力学性能试验【5 】。 陈芙蓉等利用a n s y s 程序模拟了b t 2 0 钛合金电子束焊态和焊后电子束局 部热处理的实际焊接温度场，以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布【6 】。 b t 2 0 钛合金具有出色的综合性能，尤其具有较好的高温力学性能，其应用 会越加的广泛。在应用过程中，会出现特殊的连接结构，或者会涉及异种材料连 接，抑或需要精密的焊接装配尺寸。在这些问题的解决上，钎焊技术具有很大的 优势。尤其是真空钎焊，具有很多其它焊接方式所不具备的优点。 然而，目前还没有关于b t 2 0 真空钎焊研究方面的报道，所以开展此方面的 研究将很有意义。 1 3 2 真空钎焊 真空钎焊是炉中钎焊的一种，是在真空环境下对已经装配好钎料的焊件进行 加热，利用真空条件下一系列对钎焊有利的物理化学反应，实现去膜和润湿，形 成钎焊的工艺方法【7 】。真空钎焊过程中，因为有真空气氛的保护，所以不需要钎 剂，这样钎焊接头就很光亮，焊件外观美观，而且力学性能和抗腐蚀性能良好， 在很多领域获得了广泛的应用。另外，真空钎焊对材料和结构的适应性强，可以 应用于铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金、难熔金属、铜合金和陶瓷等结构的 第1 章绪论 钎焊。 真空钎焊的广泛应用，与它自己特点紧密相关，可以总结为：不用钎剂，而 且能保证工件不氧化；工件整体加热，减小其变形；钎焊精度高，可以焊接尺寸 精密结构；可以实现按炉次的批量生产；可以实现钎焊和热处理的一体化工艺； 工艺参数自动化控制，利于消除人为控制误差：工作环境好，对操作者身体损害 少，而且环保。 真空钎焊过程中，母材和钎料表面的氧化膜逐步被分解、破坏和去除，之后， 钎料熔化并对母材形成润湿，在毛细作用下填缝，冷却后形成接头。氧化膜去除 不仅与真空度有关，还需要一定的钎焊温度。 真空钎焊工艺一般需要经过以下过程：表面准备一零件的装配与定位钎料 的添加一真空钎焊热循环焊后检验钎焊后处理等。真空钎焊时需控制的工艺 要点包括零件和钎料的表面质量、焊件配合形式和间隙、钎料的添加放置、升温 速度、钎焊温度、保温时间、真空度等。 炉温均匀性实际上反映了炉内热量辐射的均匀性，并不反映实际工件的温度 是否均匀。因此确定钎焊温度时应考虑真空加热的特点，最好采用与工件紧密接 触( 如焊接上) 的工件热电偶测量工件温度，或通过实验确定控制的钎焊温度和 保温时间【8 】o 真空钎焊时还存在钎料的流动与限制、材料间粘连和反应等问题，可通过涂 覆阻流剂、选择合适的材料和工装来解决【9 】。在较高温度下真空加热，零件或工 装材料表面的氧化膜将可能被还原、破坏或者挥发等，因此金属间紧密接触时有 时会产生不希望的扩散粘连反应，影响钎焊操作，严重时会出现材料的反应熔化， 损坏零件或设备。类似的问题在真空钎焊装炉时要尽可能避免。 钛合金及其金属间化合物的真空钎焊已经有了较多的研究，主要的有t c 4 钛合金 1 0 - q 2 1 ，t i 3 a l 1 3 一1 5 】和t i a l 0 6 i s 等，此外，还有关于钛合金异种材料的真空 钎焊研究 1 9 - 2 1 1 。 1 4 钛合金钎焊用钎料研究进展 常用的钛合金钎焊料主要有银基、铝基和钛基三大钎料系列。纯银即可用于 钛的钎焊，银与钛生成t i a g 相，该相并不太硬，有一定塑性，不会引起焊接界 面的严重脆化，添加c u 、m n 、a i 、l i 、z n 等元素可以提高结合强度，降低熔点， 提高润湿性能。但是t i a g 金属间化合物的耐蚀性较差，损害银基钎料的耐蚀性。 纯铝也可用于钛的焊接，但是由于铝与钛在界面生成脆性的m l ，相，造成焊接 强度低【捌。通过添加s i 可以使金属间化合物的厚度降低，从而提高焊接强度。 由于铝的表面形成致密的氧化膜保护，故铝基钎料有很好的耐蚀性。钛基钎料通 过添加c u 、n i 、f e 、z r 等元素可以降低熔点，使其应用于钛的钎焊。钛基钎料 一：。一 气 北京t q k 人掌t 学硕i j 学位论文 的焊接强度高，耐蚀性优良，耐热性好。但是钛基钎料多为共晶成分，性质硬脆， 难以加工成箔材。而且多数钛基钎料的熔点偏高，钎焊热循环中温度高于母材的 a - 1 3 转变温度，使母材的组织偏离理想状态，从导致而力学性能的下降【2 3 】。 在钛基钎焊料研究的早期，曾尝试向钛中添加f e 、n i 、c u 、z r 、b e 、c o 、v 等元素，以降低钛的熔点，其中c u 、n i 可以与钛形成共晶，显著降低钛的熔点。 1 9 7 0 年d g h o w d e n 等人使用t i 1 5 c u 1 5 n i 和t i 4 8 z r 4 8 b e 4 钎焊散热器获得 了成功，钎焊接头有良好的强度，耐蚀性大大优于银基钎料钎焊接头【2 4 】。1 9 8 2 年，s wl a n 提出使用t i 箔、n i 箔和c u 箔或b e 箔通过点焊制备钛基钎料，称 为叠层钎料【2 5 】。叠层钎料克服了钛基钎料难以成形的缺点。研究人员还发展了各 具特点的t i c u n i 钎焊料。如熔点更低，流动性和润湿性较好的t i 2 1 n i 1 4 c u 合 金【2 6 】，为了获得更好的耐腐蚀特性，以t i 6 a 1 4 v 箔代替叠层钎料中的纯钛箔的 叠层焊料等等【2 7 】。 t i 1 5 c u - 1 5 n i 钎料也可以用于焊接钛铝高温合金，该系列钎料可以在t 认l 的相变点以下进行液相扩散焊，并获得致密的焊接接头。在7 6 0 下接头拉伸强 度大于3 0 0 m p a 【2 8 】。另外t i - n i - n b 合金也被用于钎焊t 认i n b 合金【2 9 】。 8 0 年代，日本的o n z a w a 等人用t i 2 0 z r - 2 0 c u 2 0 n i 作为钎料钎焊t i 21a 1 4 v 合金，该钎料的温度降到8 5 0 ，钎焊后热处理可使其接头强度达到1 4 0 0 m p a 。 1 9 9 0 年o n z a w a 等人对钛锆铜镍钎料做了进一步探索，在不同成分的钎料中筛选 出了三种低熔点钎料：t y p e 5 0 0 0 、t y p e l 5 1 0 、t y p e l 5 1 5 。这几种钎料的熔点在 8 0 0 - - 8 2 0 ，在焊接纯钛和t i 6 a 1 - 4 v 时选择合适的焊接工艺，可使接头断裂于 母材中刚。 2 0 0 2 年o n z a w a 等人又以t i z r - c u 合金为基体，通过添加n i 、c o 、c r 、a g 等元素，测定共晶成分得到了几种低熔点的钎料，其熔点都在8 2 0 左右。焊接 性能较好的有3 7 5 t i 3 7 5 z 卜2 5 c u 合金和3 0 t i 4 3 z r - 2 5 c u 2 c r 合金【3 l 】。另外，俄 罗斯生产的低熔点钛基钎焊料c t e m e t l 2 0 1 ，熔点为8 2 0 ，钎焊温度为 9 0 0 - , 1 0 0 0 。国内开发的几种钛锆铜镍钎料也获得了成功【3 2 】。 非晶态钎焊料是随着熔体快淬技术发展起来的，非晶态焊料具有非晶结构， 即使是形成了微晶结构，晶粒和相尺寸也远远小于常规工艺制造的晶态产品【捌。 由于成分组织非常均匀，它们可以在一个相当窄的熔化区间熔化，这是因为不同 元素的原子，熔融成液相所需的扩散距离要小很多，缩短焊接时间，减少母材由 于退火而引起的性能损失。 更重要的一点是由于非晶态带材的韧性，焊料可方便的制成各种形状预置于 焊缝中【3 3 】。由于制造工艺简单，非晶钎料具有非常少的杂质含量。非晶态钎料厚 度一般只有3 肌5 0 斗m ，靠常规压力加工方法很难达到这个尺寸，这也是非晶钎料 优于常规焊料的地方。 4 第1 章绪论 由于钛基钎焊料含有大量c u 、n i 元素，这些元素可以迅速的与基体生成共 晶体，对基体的侵蚀较大，不能应用于薄壁零件的钎焊。另外，焊接接头在高温 下氧化导致焊接强度下降，降低了钎焊工件在高温下长时间工作的可靠性。发展 钛基钎料在钛合金与常用材料如钢、铝等钎焊中的应用具有很大的实用价值。如 何发展能适应更高工作温度的钛基钎焊料，以适应高温钛合金甚至钛铝合金的钎 焊，也是今后研究的重要方向。 1 5 钎料合金元素 1 5 1 t i - z r - n i - c u 钎料中合金元素的作用 钛是一种活性金属元素，它与元素周期表中大多数元素都能发生一定作用， 伊伊科尔尼洛夫根据各元素与钛相互作用的特点，将周期表中的元素分为4 组 于图1 1 3 4 1 。 第一组是与0 【钛或者b 钛形成连续固溶体的元素，这组元素有1 0 种，它们在 周期表中都是钛的近邻，且其原子半径与钛原子半径的差大多数不超过8 ，这 些元素是钪、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨和铀。其中钛的同族元素锆、铪 与钛形成连续固溶体，其余8 种元素与钛只形成p 连续固溶体。用锆合金化t i 会 降低a p 转变温度【3 5 】。 有些元素可以与钛形成有限固溶体、某些金属化合物和共价化合物。这组元 素的种类比能性能连续固溶体的元素更多。它们在周期表中的位置比第一组元素 离钛稍远，在化学性质上与钛有较大差别，更倾向于与钛形成化合物；但是这些 元素的原子半径有的与钛相近，有的则比钛小许多。这就使它们有可能与钛形成 有限固溶体，这一组元素包括：锰、铁、钴、镍、铜、硼、铝、镓、碳、硅、锡、 氮、铋、氧、氢等。 还有一些元素与钛不形成固溶体，而是形成不同类型的共价键化合物和离子 化合物，这些元素位于周期表的最右侧，包括s e ，t e ，p o 和卤素元素，其中卤 素与钛形成离子化合物。 此外，有些元素与钛不发生作用，比如碱金属和碱土金属，它们处于周期表 的最左侧。惰性气体与钛也不发生作用。 北京t 业人学下学硕t 。学位论文 八 周 ia 一一一一一= = 致骶厌孓_ a叭 期 i l 互 i i a ：多乡夕7 一。 加a一酞，腿ia h h c - !? ) 、 2l i i i 。 巡 0 f n 亡 ： b 3n ， a r 、夕 衄j 伯v bbblbba i默psc l ， 4k 一一， ， v 、 s c ： m - n f tc o n i c u细c - a g e 毒&b r v c r v - x 5 r b y厅n b m ot cl m r hp d a g c d i ns n s b t ei 6c y l a v l ur f t iw 艮o sk p t a u h g t l盹b ip oa t 7n 。 f b a c t hp a j ：u 圆形成连续匾溶体元素圆形成有限匿溶体元素 回形成鼻子化合物元素匿涵不发生作用元夤 图1 - 1 钛与元素周期表中元素相互作用的特点【3 4 】 f i g 1 1r e a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f t ia n d o t h e r e l e m e n t i n p e r i o d i c t a b l e o f e l e m e n t s 由于钛有q p 同素异晶转变，这样，添加的一些合金元素就可能产生对同素 异晶转变温度的影响，进而影响相组成。有些元素可以显著提高( 如铝) 或者降 低( 如钼) 转变温度，而有些对转变温度影响很小( 如锡) 。图1 - 2 就表示了铝、 钼、锡三种合金元素与钛作用的区别。合金元素分类的展开示意图列于图l 一3 。 9 2 0 ，、8 8 0 y 魁 赠 卢膨歹 篪矽。 磁 队、磁殇黝勿q 苏 琵参 笏 o2468 x 眦蛐， 图1 - 2a 1 、m o 和s n 对t i 的影响 f i g 1 - 2i n f l u e n c et ot ib ya i ，m oa n ds n 溶质含量- 图1 3 钛的合金元素分类示意图【3 4 l f i g 1 - 3c l a s s i f i c a t i o no ft i t a n i u ma l l o y i n ge l e m e n t 扩大p 相区的元素成为p 稳定元素，这些元素优先溶解于p 相，可以降低同素 异晶温度，这些元素分为p 同晶型和p 共析型两种： p 同晶稳定元素与p - t i 可以发生连续固溶，包括钼、钒、铌等。随着这些溶 质元素的增加，同素异晶转变温度逐渐降低。 p 共析稳定元素除降低同素异晶转变温度外，还有一种作用就是发生共析转 北京t q k 人学t 学硕f 学位论义 变，p 相共析分解形成0 【相和金属间化合物。根据共析反应速度的差别又可进一步 分为两种：缓慢共析元素有铁、铬和锰；活性共析元素有铜、硅。共析转变速度 极快，淬火也无法抑制其进行，故不能将b 相稳定到室温。 中性元素主要有锆和锡，对同素异晶转变温度影响不大。锆在0 【相及b 相均是 无限固溶的，而锡在d 相中的最大固溶度为3 2 。它们有助于固溶化和延迟钛合 金中某些有害的转变，如相的形成【3 4 1 。 1 5 2 钎料合金成分的相图关系 图1 4 、图1 5 和图1 - 6 分别是钛锆、钛铜和钛镍二元合金相图。这些相 图也为本文1 5 1 中所述钎料中各元素间的相互作用关系提供了理论上的支持。 钛和锆为无限固溶，钛锆二元合金的熔点低于钛和锆自身的熔点。钛和铜、镍的 反应关系较为复杂。铜、镍为b 钛稳定元素，从相图中可以看出p 钛转变为q 钛 及金属间化合物的共析反应过程。在反应过程中，有可能生成c l l 4 t i 、c u 2 t i 、 c u 3 t i 2 、c u 4 t i 3 、c u t i 、c u t i 2 以及t i 2 n i 、t i n i 、t i n i 3 等多种金属间化合物。这 就很好地解释了本文中所制备的钎料合金以及钎焊接头中，含有多种大量金属间 化合物的现象。这些金属间化合物的存在会降低钎料合金的韧性，使得钎料变得 硬脆，影响其成形性。钎焊接头中金属间化合物的存在会明显降低接头的剪切强 度。 w * a l 芍) ) 汐 工 乞7 - 、1 6 7 0 o 多 、 、： 篙鬯5 士卫曼三二 一 9 d 0 7 8 8 2 ( 卢t i ，p - ：酗 8 哆 乡 i 乡夕邀 一6 i q 羔一 - 5 0 缸la z f ) ii 图l _ 4 钛锆二元相图【3 5 】 f i g 1 - 4t i - z rb i n a r yp h a s ed i a g r a m - 8 - 第l 帝绪论 w c c , l l 、 、 八 1 l 工 、 、 、 i 、 、 i、 - 、 、一 、 、 至孽 亍# 1 k t l一 、 ：， l) 上 t芒 鬻 一8 l 、 舌 l 、 i 、 、 、 肛n ) 。 、 1 0 8 4 刃 、 l o l o 9 6 0 ) 3 r 、c l i o 3 y 、 、碥 l 4 3 咒口o 丫、涂心1口 7 。￥ ， 广 y 古 8 6 5 ) c 舟8 0 0 8 0 0 亿t i ) s 、 f t x ， 图1 - 5 钛铜二元相郾3 5 1 f i g 1 5t i c ub i n a r yp h a s ed i a g r a m 埘o m o1 02 03 04 05 06 07 08 09 0l 艘弋 工 。| i 1 3 8 0 1 3 0 4 fl 1 3 1 0 c 、 3 2 0 z 遗2 8 0 巢瑚 硝2 0 0 1 6 0 1 2 0 - 3 0 0- 2 0 01 0 00i 2 3 距离”m a ) 显微硬度取得点 b ) 显微硬度分布曲线 a ) e x p e r i m e n t a lp o i n t s”d i s t r i b u t i o nc u r v eo ft h em i c r o h a r d n e s s 图3 1 34 号钎料9 7 0 c x l 2 0m i n 工艺焊缝显微硬度分布 f i g 3 1 3m i c r o h a r d n e s so f t h ew e l d s e a m b r a z e d a t 9 7 0 。cf o r1 2 0m i nw i t h4 # b r a z i n ga l l o y 3 5 钎焊工艺对母材拉伸强度的影响 制定钎焊工艺的时候，既要考虑到钎料与母材的充分反应，获得高质量的焊 接接头，又要考虑钎焊工艺对母材性能的影响，不能明显降低母材的性能，避免 改变母材的显微组织。为了研究钎焊工艺对母材的影响，对比了钎焊前后母材的 拉伸强度。参考中华人民共和国航空工业标准金属室温拉伸试验方法( h b 5 1 4 3 9 6 ) 【3 9 】，进行了b t 2 0 钛合金的拉伸测试。 试验测得的母材拉伸强度列于表3 4 。未经钎焊工艺处理的母材拉伸强度为 1 0 8 8 m p a ，经9 5 0 0 c x l 5 m i n 和9 6 0 0 c x 2 0 m i n 工艺处理后，母材拉伸强度分别为 1 0 2 2 m p a 和1 0 1 0 m p a 。9 6 0 。c x 2 0 m i n 处理后，拉伸强度比未经处理的母材下降 了约7 8 m p a ，约占未处理母材拉伸强度